(57)【要約】【課題】表面平坦性を大きく改善し、さらに良好な電子移動度を有するインジウム系化合物半導体薄膜を備えた半導体素子及びそれを備えた半導体装置を提供すること。【解決手段】本発明の半導体素子は、ガリウム砒素からなる基板１上に形成されるインジウム系化合物半導体薄膜を備えている。ガリウム砒素の表面が、ガリウム砒素（１００）面又はこのガリウム砒素（１００）面と結晶学的に等価な面に対して（０−１−１）方向、又はガリウム砒素（１００）面と結晶学的に等価な方向に、０．２度以上２．４度以下の角度で傾斜している。インジウム系化合物半導体薄膜は、ｐ型インジウム系化合物半導体薄膜３とｎ型インジウム系化合物半導体薄膜２との積層構造を有する。この半導体素子は各種の光デバイスに適用可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガリウム砒素からなる基板上に形成されたインジウム系化合物半導体薄膜を備えた半導体素子において、
前記ガリウム砒素の表面が、ガリウム砒素（１００）面又は該ガリウム砒素（１００）面と結晶学的に等価な面に対して（０−１−１）方向、又は前記ガリウム砒素（１００）面と結晶学的に等価な方向に、０．２度以上２．４度以下の角度で傾斜していることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記インジウム系化合物半導体薄膜が、ｐ型インジウム系化合物半導体薄膜とｎ型インジウム系化合物半導体薄膜との積層構造を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記インジウム系化合物半導体薄膜が、インジウムアンチモン薄膜，インジウム砒素アンチモン薄膜，インジウム砒素薄膜，インジウムアルミアンチモン薄膜のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子。
【請求項４】
請求項１，２又は３に記載の半導体素子を備えたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及びそれを備えた半導体装置に関し、より詳細には、インジウム系化合物半導体薄膜を備えた半導体素子及びそれを備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、オプトエレクトロニクスの分野においては、光ファイバー通信に必要な波長１．３μｍ及び１．５５μｍに相当するバンドギャップを有し、かつＧａＡｓ基板に格子整合可能なＧａＩｎＮＡｓなどの化合物半導体材料が研究されている。
【０００３】
しかしながら、ＧａＡｓ系化合物半導体へのＮの取り込み効率が低いため、波長１．３μｍ又は１．５５μｍに相当するバンドギャップを得るためにＮの供給量を増やしてＮの組成比を増加させると、結晶成長表面が荒れるという問題があった。また、ＧａＩｎＮＡｓ混晶をＧａＡｓ基板に格子整合させるために、Ｎ及びＩｎの組成比を増加させた場合にも、その結晶性が大きく悪化し、半導体レーザ素子の活性層として用いるのに十分な結晶性が得られないという問題があった。
【０００４】
そこで、これらの問題点を解決するために、例えば、特許文献１に記載されているような半導体素子が提案されている。この特許文献１には、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むIII−Ｖ族化合物半導体が、ガリウム砒素からなる基板上に結晶成長された半導体素子において、ガリウム砒素（１００）面を５度以上５５度以下の角度で傾斜させることで、その混晶の相分離を抑制し、均一な組成分布を実現し、優れた特性を有する半導体素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２５９８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ガリウム砒素（１００）面を５度以上５５度以下の角度で傾斜させた面にインジウムアンチモン薄膜、インジウム砒素アンチモン薄膜、インジウム砒素薄膜などのインジウム系化合物半導体薄膜を成長する場合、上述した特許文献１に記載の構成では、表面平坦性が悪化してしまうという問題が存在していた。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、表面平坦性を大きく改善し、さらに良好な電子移動度を有するインジウム系化合物半導体薄膜を備えた半導体素子及びそれを備えた半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、ガリウム砒素からなる基板上に形成されたインジウム系化合物半導体薄膜を備えた半導体素子において、前記ガリウム砒素の表面が、ガリウム砒素（１００）面又は該ガリウム砒素（１００）面と結晶学的に等価な面に対して（０−１−１）方向、又は前記ガリウム砒素（１００）面と結晶学的に等価な方向に、０．２度以上２．４度以下の角度で傾斜していることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記インジウム系化合物半導体薄膜が、ｐ型インジウム系化合物半導体薄膜とｎ型インジウム系化合物半導体薄膜との積層構造を有することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記インジウム系化合物半導体薄膜が、インジウムアンチモン薄膜，インジウム砒素アンチモン薄膜，インジウム砒素薄膜,インジウムアルミアンチモン薄膜のいずれかであることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の半導体素子を備えたことを特徴とする半導体装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ガリウム砒素（１００）面又はこのガリウム砒素（１００）面と結晶学的に等価な面に対して（０−１−１）方向、又はこのガリウム砒素（１００）面と結晶学的に等価な方向に、０．２度以上２．４度以下で傾斜しているガリウム砒素からなる基板上にインジウム系化合物半導体薄膜を形成することにより、表面平坦性の優れた、電子移動度が高いインジウム系化合物半導体薄膜を備えた半導体素子及びそれを備えた半導体装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ガリウム砒素からなる基板上に、ｐ型インジウム系化合物半導体薄膜とｎ型インジウム系化合物半導体薄膜とを積層した本発明のインジウム系化合物半導体薄膜を備えた半導体素子の一実施形態を説明するための構成図である。
【図２】ガリウム砒素からなる基板の傾斜角度の測定方法を説明するための図である。
【図３】本発明に係る基板の傾斜角度とインジウムアンチモン薄膜の表面平坦性の関係を示す図である。
【図４】本発明に係る基板の傾斜角度とインジウムアンチモン薄膜の電子移動度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。  
インジウム系化合物半導体薄膜をガリウム砒素（１００）面に成長する際、結晶成長したインジウム系化合物半導体薄膜の表面は平坦性に乏しい。しかし、所定の方向に、所定の角度だけ傾斜したガリウム砒素からなる基板の表面にインジウム系化合物半導体薄膜を結晶成長すると表面平坦性は大きく改善される。
【００１５】
これについて分子線エピタキシャル成長法を用いたインジウム系化合物半導体薄膜の結晶成長を例として説明するが、有機金属化学気相成長法、ガスソース分子線エピタキシャル成長法など他の化合物半導体薄膜を成膜する装置を用いても構わない。また、インジウム系化合物半導体薄膜としてインジウムアンチモン薄膜を例として以下に説明するが、Inを含んだ化合物半導体であれば３元系、４元系の混晶半導体でも構わない。
【００１６】
ガリウム砒素（１００）面上にインジウムアンチモン薄膜を結晶成長する場合、成長室内において、ヒーターなどを用いて成長表面を加熱する。この成長表面にインジウム及びアンチモンの原子を原料セルから供給してインジウムアンチモン薄膜を成長する。ガリウム砒素（１００）面上にインジウムアンチモン薄膜を成長する場合、基板表面に供給されたインジウム原子，アンチモン原子は、ヒーターの加熱により熱エネルギーを得て、ガリウム砒素からなる基板表面をマイグレーションし、核を形成し、結合しながらインジウムアンチモン薄膜が成長していく。このような成長は、核形成位置が不確定であるために３次元成長になりやすく、一般的に表面の平坦性が悪くなる。
【００１７】
一方、傾斜したガリウム砒素からなる基板上にインジウムアンチモン薄膜を成長する場合、成長表面には傾斜角度に応じて多くのステップ端が存在し、成長表面に供給されたインジウム原子は、テラス上に核形成を行うよりも、ステップ端に捕らえられる確率が大きくなる。つまり、成長表面に供給されたインジウム原子は、熱エネルギーによるマイグレーションを十分に行うことなく、ステップ端に取り込まれ、二次元的に成長する。その結果、表面平坦性の優れたインジウムアンチモン薄膜の成長が可能になる。
【００１８】
表面平坦性が改良されることで、例えば、ｐｎ構造など積層されたインジウム系化合物半導体薄膜構造の場合、各層界面での結晶の乱れが少なく、光センサなどの各種の光デバイスの特性の優れた薄膜を提供することが可能となる。
【００１９】
本発明者は、鋭意検討の結果、ガリウム砒素（１００）面又はこのガリウム砒素（１００）面と結晶学的に等価な面に対して（０−１−１）方向、又はこのガリウム砒素（１００）面と結晶学的に等価な方向に、所定の角度傾斜しているガリウム砒素からなる基板上にインジウム系化合物半導体薄膜を成長することで表面平坦性を改善した。
【００２０】
本発明における所定の角度とは、好ましくは０．２度以上２．４度以下、より好ましくは０．６度以上２度以下、さらに好ましくは０．６度以上１度以下である。
【００２１】
本発明における、ガリウム砒素の（１００）面に結晶学等価な面とは、（００１）面、（０１０）面、（−１００）面、（００−１）面のことである。また、ガリウム砒素（１００）面において、（０−１−１）方向と結晶学的に等価な方向には（０１１）方向などがある。
【００２２】
本発明に係るインジウム系化合物半導体薄膜は、Ｂｅ，Ｃ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｔｅ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｓｅ，Ｓｉ，Ｚｎ等ドーパントとして不純物元素が適宜含まれていても構わない。
【００２３】
本発明に係るインジウム系化合物半導体薄膜は、上述した所定の方向に所定の角度だけ傾斜したガリウム砒素からなる基板上に積層されたインジウム系化合物半導体薄膜であって、アンドープのインジウム系化合物半導体単膜、あるいはｎ型もしくはp型のインジウム系化合物半導体単膜だけではなく、少なくともｐ型インジウム系化合物半導体薄膜とｎ型インジウム系化合物半導体薄膜を含む２層以上の積層された構造のインジウム系化合物半導体薄膜である。例えば、本発明を光センサなどに用いる場合、ｐｎ構造・ｐｉｎ構造など広く知られた積層構造をとることが可能となる。
【００２４】
図１は、ガリウム砒素からなる基板上に、ｐ型インジウム系化合物半導体薄膜とｎ型インジウム系化合物半導体薄膜とを積層した本発明のインジウム系化合物半導体薄膜を備えた半導体素子の一実施形態を説明するための構成図である。
【００２５】
本発明の半導体素子は、ガリウム砒素からなる基板１上にｎ型インジウム系化合物半導体薄膜２を形成し、さらにその上にｐ型インジウム系化合物半導体薄膜３を積層した形態のｐｎ構造を有する半導体素子である。本実施形態においては、ガリウム砒素からなる基板１の表面にｎ→ｐの順に積層したｐｎ構造を示したが、ｐ→ｎの順に積層した形態のｐｎ構造でも構わない。
【００２６】
また、本発明のインジウム系化合物半導体薄膜は、少なくともｐ型インジウム系化合物半導体薄膜３とｎ型インジウム系化合物半導体薄膜２とを２層以上含んだ構造であればよく、ｐｎ構造に限らずｐｉｎ構造、その他の構造でも構わない。さらに、インジウム系化合物半導体単膜でも構わない。
【００２７】
また、インジウム系化合物半導体薄膜としては、インジウムアンチモン薄膜，インジウム砒素アンチモン薄膜，インジウム砒素薄膜，インジウムアルミアンチモン薄膜，インジウムガリウムアンチモン薄膜，インジウムリン薄膜などがある。例えば、ホール素子など高い電子移動度を必要とする磁気センサを作製する際には、インジウムアンチモン薄膜が好適に用いられる。またｐｎ接合、ｐｉｎ接合を用いて波長３μｍ−７μｍ中赤外領域に感度をもつ光センサを作製する際には、インジウムアンチモン薄膜が好適に用いられ、インジウムアルミアンチモン薄膜との積層構造も可能である。一方、波長１０μｍ以上の長波長領域で高感度な光センサを作製する際には、インジウム砒素アンチモン薄膜が好適に用いられる。本発明のインジウム系化合物半導体薄膜としては、インジウムアルミアンチモン薄膜，インジウムガリウムアンチモン薄膜などの３元系混晶などの化合物半導体薄膜、インジウムアルミ砒素アンチモンなどの４元系混晶などの化合物半導体薄膜も含まれる。
【００２８】
また、本発明の半導体装置は、所定の方向に、所定の角度傾斜したガリウム砒素（１００）面と、このガリウム砒素からなる基板１上に形成されたインジウム系化合物半導体薄膜を備えた半導体素子を有する半導体装置である。ここでガリウム砒素結晶面は（１００）面と結晶学的に等価な面であればいずれでも構わない。また、所定の方向とは（０−１−１）方向と結晶学的に等価な方向であり、また、所定の角度とは、好ましくは０．２度以上２．４度以下、より好ましくは０．６度以上２度以下、さらに好ましくは０．６度以上１度以下である。
【００２９】
本発明に係るインジウム系化合物半導体薄膜は、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法，ガスソースＭＢＥ法，有機金属気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法，有機金属ＭＢＥ（ＭＯ−ＭＢＥ）法などを用いて作成することが出来る。
【実施例】
【００３０】
本発明に係るインジウム系化合物半導体薄膜は、ガリウム砒素（１００）面又は傾斜したガリウム砒素からなる基板１の表面に１μｍの厚みで成長して、表面粗さ及び電子移動度を評価した。本実施例で使用した傾斜したガリウム砒素からなる基板１の表面の傾斜方向は（０−１−１）であるものを用いた。以下、ガリウム砒素（１００）面から傾斜していないガリウム砒素（１００）面を「ジャスト基板」と略記し、また（０−１−１）方向に２度傾斜したガリウム砒素面を「２度傾斜基板」と略記する。
【００３１】
本実施例では、インジウム系化合物半導体薄膜として、インジウムアンチモン薄膜を実施例として作製したが、インジウム系化合物半導体薄膜が，インジウム砒素アンチモン薄膜，インジウム砒素薄膜，インジウムアルミアンチモン薄膜，インジウムガリウムアンチモン薄膜，インジウムリン薄膜などインジウムを含んだ化合物半導体薄膜であれば良い。
【００３２】
インジウムアンチモン薄膜は、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法を用いて行った。また、この時に用いたＭＢＥ法では、インジウムアンチモン薄膜の原料には全て固体ソース（金属インジウム、金属アンチモン）を用いた。インジウムアンチモン薄膜は、１μｍ／時間で成長を行った。
【００３３】
また、インジウムアンチモン薄膜の成長に用いたガリウム砒素からなる基板としては、「ジャスト基板」「０．６度傾斜基板」「１．６度傾斜基板」「２度傾斜基板「２．７度傾斜基板」「３．５度傾斜基板」「５度傾斜基板」を用いた。
【００３４】
図２は、ガリウム砒素からなる基板の傾斜角度の測定方法を説明するための図で、符号４は、傾斜角度測定対象のガリウム砒素からなる基板をセットした試料台、５は回転方向を示している。傾斜角度は、Ｘ線回折法を用いて評価した。
【００３５】
測定は、図２に示すように基板を符号５に示した方向に回転させながら、基板のω測定を行い、基板のピーク位置を評価することで傾斜角度を算出した。また、電子移動度の測定は、ファンデルポー法を用いて行った。また、表面粗さの測定は、ＡＦＭ装置を用いて行い、表面粗さは、５μｍ×５μｍのエリア内の自乗平均面粗さを評価した。
【００３６】
図３は、本発明に係る基板の傾斜角度とインジウムアンチモン薄膜の表面平坦性の関係を示す図で、ジャスト基板及び各傾斜基板上に成長したインジウムアンチモン薄膜表面の自乗平均面粗さを示している。横軸が傾斜角度、縦軸がインジウムアンチモン薄膜の自乗平均面粗さで、符号６は、ジャスト基板よりも表面平坦性の優れている範囲である。傾斜角の制御精度が±０．１度であることを考慮すると、傾斜角度０．２度以上２．４以下ではジャスト基板と比較して、表面平坦性が良いことがわかる。
【００３７】
図４は、本発明に係る基板の傾斜角度とインジウムアンチモン薄膜の電子移動度の関係を示す図で、ジャスト基板及び各傾斜基板上に成長したインジウムアンチモン薄膜の電子移動度を示している。横軸が傾斜角度、縦軸がインジウムアンチモン薄膜の電子移動度である。電子移動度は、傾斜角度３．５度までは一定であり、３．５度以上になると減少する傾向が得られ、本発明の範囲では半導体薄膜の膜性能を落とすことなく表面平坦性を改善できる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係るインジウム系化合物半導体薄膜は、非常に表面平坦性に優れており、薄膜積層構造などでは各層間の界面粗さを改善できることから、光センサや発光デバイスなどの各種の光デバイスへの応用が可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１  ガリウム砒素からなる基板
２  ｎ型インジウム系化合物半導体薄膜
３  ｐ型インジウム系化合物半導体薄膜
４  傾斜角度測定対象のガリウム砒素からなる基板をセットした試料台
５  回転方向
６  ジャスト基板よりも表面平坦性の優れている範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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